De profundis: Juli 2011

Daß ich erkenne, was die Welt

Im Innersten zusammenhält,

Schau’ alle Wirkenskraft und Samen,

Und thu’ nicht mehr in Worten kramen.

Faust, der Tragödie erster Theil

Vor gar nicht allzu langer Zeit wurde ich im Freundeskreis dazu angehalten, einen Artikel über ein Thema zu schreiben, das seinerzeit in aller Munde war. Nämlich über den zweitgrößten, nahrungsmittelinduzierten Ausbruch pathogener E.coli-Keime in der Geschichte der Medizin. Mittlerweile ist das Thema EHEC wieder von den Titelseiten verschwunden, die Journaille jagt das nächste Schwein durchs Dorf.

Seinerzeit habe ich dieses Ansinnen zurückgewiesen mit dem Hinweis, das ich gerne einen Beitrag schreibe, wenn dazu wissenschaftliche Artikel existieren, die dieses Ereigniss angemessen beschreiben. Denn dieser Ausbruch, prophezeite ich damals, ist ein bisher nie dagewesener Glücksfall in der Geschichte der Epidemiologie.

Warum, fragt sich der Bildungsbürger?

Weil es einen großflächigen Ausbruch eines pathogenen Keims gab, der auf ein sehr intaktes Gesundheitssystem in einem High-Tech-Land traf. Man mag über das deutsche Gesundheitssystem sagen was man will, aber es hat vorbildlich auf diese Herausforderung reagiert.
Weil das angreifende Bakterium der am besten bekannte Organismus auf diesem Planeten ist.
Weil der Angriff (ich benutze diesen Begriff aus dramaturgischen Gründen) zu einem Zeitpunkt erfolgt, als der sich damit befassende Zweig der Wissenschaft, hier die Molekularbiologie, an einem Wendepunkt befindet.

Theodor Escherich, 1857-1911

Mit diesen drei Zutaten war dem Fachpublikum klar, das ein Durchbruch einfach reif war. Dieser ist nun erfolgt. Ursprünglich dachte ich, die ersten lesenswerten wissenschaftlichen Artikel würden ungefähr in einem Jahr, also Anfang 2012 erscheinen. Zu diesem Zeitpunkt wollte ich dann auch meinen eigenen Artikel mit dem Titel "Was macht eigentlich..." schreiben. Ich habe mich geirrt! Ich bin zur Jahrtausendwende aus dem aktiven Dienst ausgeschieden und zum damaligen Zeitpunkt hätte die Abschätzung des Zeitraumes auch noch gestimmt. Ich fühle mich so alt, wie dieser Wissenschaftler aus der k.u.k.-Monarchie. Er ist übrigens der Erstbeschreiber von E.coli.

Seit meinem Abschied aus dem wissenschaftlichen Alltag hat es einen Quantensprung in der Sequenziertechnologie gegeben, der in der Geschichte der Wissenschaft ohne Beispiel ist. Um einen allgemein verständlichen Vergleich zu ziehen: Hätte sich die Computertechnologie so schnell entwickelt, wie die DNA-Sequenzierung, dann hätten wir jetzt den Zustand der Technologischen Singularität erreicht.

kluge Idee auf Helgoland

Um zu verstehen, was dort passiert ist, muss man zurückgehen ins Jahr 1983. Genauer gesagt passierte es auf der California State Route 128 zwischen den Ortschaften Cloverdale und Booneville an einem Freitag im April. Es ist einer dieser, wie soll ich es nennen, Heisenberg-Momente in der Wissenschaft. Werner Heisenberg soll die Idee für seine Unschärfe-Relation auf Helgoland im Urlaub bekommen haben, als er einen Spaziergang machte und auf die Nordsee schaute. Der US-amerikanische Biochemiker Kary Banks Mullis fuhr also durch die Weinanbaugebiete Californiens und hatte auch eine Idee: Es sollte möglich sein die Erbsubstanz DNA im Reagenzglas zu vervielfältigen, wie es die Natur bei jeder Zellteilung macht.

Sissas Traum, Shihrams Alptraum

Der Vorteil liegt auf der Hand: Statt DNA über Bakterien zu klonieren und jeweils immer einen Generationszyklus abwarten zu müssen, bis sich die Menge verdoppelt hat, konnten nun hunderte von Millionen Strängen in wenigen Stunden hergestellt werden. Er träumte den Traum von Sissa ibn Dahir und fand einen Weg in die Wirklichkeit (ja, ihr werdet klicken müssen, ich erkläre nicht auch noch wer Sissa ibn Dahir ist, ungebildetes Pack!).

Aber was macht man mit der ganzen DNA? Analyse war bis dahin beschwerlich. Schon in den 70ziger Jahren wurden die Grundlagen gelegt:

Wissenschaftliche Beschreibung von Restriktionsendonukleasen (1978 Nobelpreis)

DNA-Sequenzierung nach Maxam-Gilbert (1977)

Didesoxymethode nach Sanger (1975)

Ich will nicht zu fachspezifisch werden, schließlich interessiert das niemanden, nur soviel: Mit dem ersten Punkt wird es möglich DNA fachgerecht zu zerschneiden, und zwar im wesentlichen wo man will und wie häufig man will. Man kann also die DNA in handzahme Häppchen spalten, die man sich näher ansehen kann. Das menschliche Genom hat so viele Buchstaben wie in 75 Metern Brockhausbänden vorkommen. Klar das man da schneiden, sozusagen einzelne Blätter rausreissen muss. Aber wer bringt einem das Lesen bei?

Maxam-Gilbert hat mir das Lesen beigebracht. Es dauerte eine Woche und man hatte ungefähr eine DIN A4-Seite gelesen. Dabei hat man noch seine Gesundheit ruiniert, weil man mit giftigen Chemikalien hantierte. Diese Methode lässt sich allerdings nicht gut automatisieren, man macht also alles per Hand.

Es dauerte lange, bis die Methode von Sanger automatisiert werden konnte. Aber als es endlich geschafft war, gab es kein Halten mehr. Der Vorteil dieser Methode ist es, das sie mit Enzymen funktioniert statt mit Chemikalien. Zu meiner aktiven Zeit (1990-2003) wurde diese Methode immer weiter verfeinert und als ich aus dem Dienst ausschied konnte ich 10 DIN A4-Seiten in 5 Stunden lesen. Es erfordert schon den Einsatz von Computern, um da eine Analyse vorzunehmen.

Die Sequenzierung des Menschlichen Genoms wurde ungefähr auf diesem technischen Niveau unternommen.


Louis VII von Frankreich, 1120-1180

Bis hierher hat man also folgendes gemacht. Die Reaktion ablaufen lassen bis zu einem bestimmten Punkt, dann abbrechen und den letzten Buchstaben lesen. Als ich aufhörte Wissenschaft zu betreiben kam man auf die Idee, die Reaktion gar nicht mehr zu stoppen, sondern während der Reaktion zu lesen. Dieses Verfahren hat man automatisiert und heutzutage kann man 400 Reaktionen gleichzeitig ablaufen lassen und lesen. Das sind dann ungefähr 160 DIN A4-Seiten in 5 Stunden. Zumindest eine meiner Leserinnen führt dieses Verfahren durch und nennt es Real-Time quantitative PCR. Das Gerät, welches sie dazu benutzt, nennt man einen Lightcycler.

Hätte Ludwig der Siebte von Frankreich, bevor er im 12. Jahrhundert zum zweiten Kreuzzug ins heilige Land aufbrach, genau einen Lightcycler zu Verfügung gehabt um die menschliche Erbsubstanz vollständig zu lesen, wären wir gerade heute damit fertig geworden. Nur um einmal die Dimension des Unterfangens anschaulich zu machen.
So weit, so rückständig! Die aktuelle Sequenzierungstechnologie, die bei der Analyse der EHEC-Epidemie zum Einsatz kam, kann aber 100000 DIN A4-Seiten in 5 Stunden lesen. D.h. eine komplette Sequenzierung des menschlichen Genoms hätte Dienstag dieser Woche begonnen und heute abend wär das Thema dann durch gewesen.

Ich habe dazu mal ein kleines Filmchen rausgesucht, was den molekularbiologischen Prozess anschaulich macht. Die dargestellte Reaktion läuft in einem (Achtung jetzt kommt der Kick-Ass-Name für die Technikaffinen unter euch) GS FLX Titanium XL+ - Pyrocycler der Firma 454 Life Sciences ab. Wie ist so etwas möglich? Die Reaktion läuft massiv parallel ab. In diesem Gerät 1.000.000 mal in 23 Stunden bei einer Sequenzlänge von bis zu 1000 Basen und einer Genauigkeit von 99.997%. Selbstverständlich geht das nicht mehr in herkömmlichen Reaktionsgefäßen. Stattdessen wird die DNA auf einer Picotiter-Platte ausgebracht. Die Reaktion findet in einem Volumen statt, der ein billionstel Liter Lösung enthält. Andere Verfahren nutzen Arrays (also feste Unterlagen, auf die einzelne DNA-Stränge geklebt werden). Diese Verfahren sind theoretisch sehr einfach skalierbar.

Ion 316 sequencing chip

Um wieder den Bogen zur vorliegenden EHEC-Epidemie zu schlagen: Dort wurde von 2 verschiedenen Arbeitsgruppen sequenziert. Die einen benutzen Pyrosequencing, wie oben vorgeführt, die anderen benutzten einen Ansatz, den ich als promovierter Biologe nur noch als abgefahrene Science-Fiction-Star Trek-Molekularbiologie bezeichnen kann. Er nennt sich Ion semiconductor sequencing. Dabei werden gar keine optischen Detektoren mehr benutzt oder modifizierte Moleküle, wie bei allen anderen Techniken. Gemessen wird die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit auf einem ionensensitiven Feldeffekttransistor hervorgerufen durch die pH-Wert Änderung der Lösung beim Auftreten von Wasserstoffionen während der Elongationsphase des komplementären DNA-Stranges. Alles klar?

Yep, so habe ich auch geschaut. Der tolle Satz ist aber von mir! Mit anderen Worten: Die Reaktion findet direkt auf einem Halbleiterchip statt. 6 Millionen mal gleichzeitig! Für das 4. Quartal ist ein Chip mit 60 Millionen gleichzeitigen Reaktionen angekündigt. Und wir reden hier erst von einem Chip der dritten Generation. Einem 80286 Intel Chip von 1982 sozusagen. Innerhalb eines Jahres wurde die Leistung verhundertfacht und die Technik steht erst am Anfang.

Zeitlinie des EHEC-Analyse, klick mich und ich werde groß

Bei der EHEC-Epidemie wurde das verantwortliche Bakterium Escherichia coli O104:H4 innerhalb von 2 Stunden sequenziert. Zur Sicherheit gleich 27 mal, wegen der Genauigkeit ihr versteht. Das Gerät kostet gerade mal 35000 Euro. Ende diesen Jahres wird man ein menschliches Genom auf einem einzigen Gerät in 6 Stunden sequenzieren können. Als ich 2003 aus der Wissenschaft ausschied hätte ich mich dafür in eine Zeitmaschine setzen müssen um im Jahr 1145 am Hofe Ludwigs des Siebten in Bourges mit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms zu beginnen. Mit einem Lightcycler wohlbemerkt, dem neuesten Gerät auf dem Markt seinerzeit.

Im konkreten Fall war man also in der Lage während des EHEC-Ausbruchs, und das ist das neue daran, die Sequenzierung abzuschliessen und Erkenntnisse über die Herkunft des Erregers zu gewinnen. Zu meiner Zeit wurden solche Lehren erst Monate später gezogen, wo es keinem Patienten mehr geholfen hätte.

Die Vision des Science Fiction-Films GATTACA aus dem Jahre 1997 ist also bereits im Jahre 2011 technisch zu verwirklichen. Ich wage mal eine nicht ganz so kühne Zukunftsprognose. In 5 Jahren wird es für jeden Menschen in einem entwickelten Land die Möglichkeit geben für unter 500 Euro sein komplettes Genom sequenzieren zu lassen. Wahrscheinlich wird es routinemässig gemacht werden, wenn der Patient sein Einverständniss dazu gibt und die rechtlichen Fragestellungen geklärt sind. Auf die schriftliche Interpretation der Daten wird man 2-3 Tage warten müssen nach der Blutentnahme. Kinder, die heute geboren werden, auch solche mit komischen germanischen Vornamen, haben sozusagen die Gnade der frühen Geburt. Szenen, wie links im Film sind durchaus denkbar. Vielleicht sollte ich mich in meine Zeitmaschine setzen, in den April des Jahres 1983 zurückreisen und kurz vor Mitternacht zwischen Boonville und Cloverdale den entgegenkommenden Wagen dieses Idioten mit Höchstgeschwindigkeit frontal rammen. Was meint Ihr?

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Fundstücke: